ДАРЕМ, Северная Каролина - Физики из Университета Дьюка разработали метод переключения, который использует очень слабый луч света для управления гораздо более сильным лучом. По словам ученых, это достижение может сделать оптические телекоммуникационные устройства более эффективными и, возможно, помочь в разработке футуристических квантовых коммуникационных устройств.
«Важно то, что это «полностью оптический» переключатель, использующий только свет, при этом слабый луч воздействует на сильный», - сказал профессор физики Даниэль Готье, руководитель группы Duke.
Такой метод коммутации может улучшить современные телекоммуникационные коммутационные массивы, которые должны многократно и неэффективно преобразовывать свет в электричество, а затем обратно в свет - метод, особенно непрактичный для очень высокоскоростных телекоммуникационных сетей, сказал Готье в интервью.
До сих пор, сказал Готье, ученые в основном демонстрировали методы переключения, которые используют более сильные световые лучи для управления более слабыми. «И это не очень полезно в телекоммуникационном сетевом устройстве, потому что вам потребуется много энергии для переключения крошечного количества», - сказал он..
Готье и другие члены команды описывают свои открытия в пятницу, 29 апреля 2005 г., в выпуске исследовательского журнала Science, в отчете, первым автором которого является аспирант Готье Эндрю Доус. Дополнительными соавторами являются научный сотрудник Готье с докторской степенью Лукас Иллинг и бывшая студентка факультета физики Дьюка Сьюзен Кларк, которая сейчас учится в аспирантуре Стэнфордского университета.
Их исследования финансируются Агентством передовых оборонных исследовательских проектов, Национальным научным фондом и Исследовательским бюро армии США.
Система переключения команды Duke использует нестабильность, которую Готье первоначально изучал в аспирантуре.
Ученые направляют два одинаковых луча лазерного света друг на друга, в то время как оба противоположных луча также проходят через нагретые пары рубидия, заключенные в стеклянной вакуумной трубке.
Обычно такие противоположно направленные лазерные лучи просто безответно проходят друг через друга, сказал Готье. Но этот лазерный свет имеет правильную длину волны инфракрасного излучения, на которую воздействуют естественные возбуждения атомов рубидия.
Это взаимодействие между светом и атомами рубидия вызывает нестабильность, которая создает два дополнительных луча. Когда эти вторичные лучи проецируются на экран, они образуют оптический рисунок. Этот рисунок, состоящий из пары пятен, можно повернуть в новое положение, когда третий «переключающий» луч проходит через пары рубидия.
Важно отметить, что сила переключающего луча также намного слабее, чем у исходных лучей. Согласно их научному отчету, физики Дьюка смогли управлять своим переключателем с лучами, в 6 500 раз более слабыми, чем свет в оптической схеме.
«Итак, идея в том, что у нас есть лучи, которые указывают в одном направлении и могут идти в определенное место в сети», - сказал Готье. «Затем, добавив очень слабый луч, мы можем повернуть эти исходные лучи в новую ориентацию. Таким образом, пятна могут затем перейти к другим каналам в сетевой системе, например».
Идея такого слабого сигнала, управляющего более сильным, «делает переключатель каскадным», - сказал Готье. «Это то, что вам нужно, чтобы выход одного переключателя влиял на вход другого переключателя, расположенного ниже по потоку. Ни одна другая группа, о которой мы знаем, не продемонстрировала этого с полностью оптическим переключателем».
До сих пор группа Дьюка использовала слабые переключающие лучи, состоящие всего из 2 700 отдельных частиц света, известных как фотоны.
Их отчет в журнале Science также предлагает возможные методы для использования таких слабых лучей, как одиночные фотоны, возможно, путем уменьшения размера лазерных лучей или модификации атомного пара.
«Есть некоторые приложения в квантовой информации, где вы хотели бы иметь переключатель, который может быть активирован одним фотоном», - сказал Готье. Квантовые вычисления и телекоммуникации относятся к системам, которые используют причудливые особенности квантовой механики для решения иначе неразрешимых вычислительных задач и обеспечения безопасных каналов связи.
Эти квантовые эффекты проявляются только в системах, где можно манипулировать отдельными фотонами, электронами или атомами.
Лаборатория Готье на физическом факультете Дьюка также связана с междисциплинарным университетским Центром фотоники и систем связи имени Фитцпатрика, базирующимся в Инженерной школе Пратта.
Готье также связан с Центром нелинейных и сложных систем Дьюка. Эксперимент его группы по переключению света является примером нелинейного эффекта, включающего математические отношения, которые не являются прямо пропорциональными.